2024年3月17日，中國電動汽車百人會之動力電池分論壇上，中國科學院院士孫世剛發(fā)表了“電動交通固態(tài)電池的挑戰(zhàn)和發(fā)展”的主題演講。圍繞著固態(tài)電池當下面臨的一些困境和解決辦法進行分享。

中國科學院院士 孫世剛

下文為其演講轉(zhuǎn)化，存在部分刪減與優(yōu)化，供讀者參考。

為什么要發(fā)展新能源汽車 驅(qū)動力是什么？

中國原油結(jié)構(gòu)是“煤多油少氣少”，2019年開始燃油對外依存度超過70%，2023年總共消費了7.66億噸，產(chǎn)量2億噸左右，外購5.64億噸，對外依存度超過73%。對外依存度超過70%就是安全事件。

這是我們要發(fā)展新能源汽車的一個重要的驅(qū)動力。新能源汽車不僅減少對原油的依賴，同時也減少二氧化碳排放，同時可以促進可再生能源開發(fā)。

可再生能源是間歇式發(fā)電，儲存和轉(zhuǎn)化才能變?yōu)檫B續(xù)性資料。一方面，把這些電轉(zhuǎn)化成燃料，比如把水變成電跟綠氫，把二氧化碳轉(zhuǎn)化成燃料，把氮變成氨，通過燃料電池驅(qū)動汽車，儲存起來作為動力電池來驅(qū)動汽車。

我們國家發(fā)展的新能源車，卡車、巴士、運營車用燃料電池，因為它的續(xù)航里程長、能量密度大，動力電池用于小車。

新能源汽車近五年呈指數(shù)性增長，2023年保有量2041萬輛，汽車總量是3.36億輛，只占6%，2030年到2035年規(guī)劃大于50%的總銷量，意味著要到8千萬到1億輛電動車銷量，空間很大，增長速度還會非?？臁?

燃料電池車對新能源來說是非常重要的一環(huán)，2023年保有量18740輛，目前是全球商用車最多的國家。按照2025年10萬輛，2030-2035年100萬輛的規(guī)劃，以及燃料電池車近幾年指數(shù)增長趨勢，這個板塊不能忽視。

另外一個驅(qū)動力，一些國家都提出了停售燃油車時間表，最近有些國家說要推遲，但是還沒有出臺，但并不是說會停止，這個驅(qū)動力對于發(fā)展電動車也是一個最大的受益。歐盟說可以通過禁售非零排放，用綠電來合成這些燃料，也推動了零排放，是為了達到碳中和的目的。碳中和是全世界達成的一個協(xié)議，大家都要努力去發(fā)展，特別是我們國家的任務(wù)非常緊。

電動交通還包括飛機和船舶。三峽氫舟1號已經(jīng)在長江三峽運營，利用三峽大壩晚上的電制氫來用。燃料電池的飛機同樣也是有些大的發(fā)展。現(xiàn)在低空域飛機，燃料電池的驅(qū)動非常重要。

航空對動力電池的要求更多，動力電池的能量密度要求更大。

總的來說，電池的發(fā)展，無論是哪類電池，面臨的是提高它的能量密度、功率密度、安全性、極端環(huán)境適應(yīng)、低成本，是全方位的。我們國家和發(fā)達國家都制定了一些國家級發(fā)展戰(zhàn)略。

在固態(tài)電池方面，我們國家制定了一系列規(guī)劃。日本、韓國、英國、歐盟、美國等其它國家，都有一些國家級計劃來推動電池的發(fā)展。美國《鋰電池藍圖計劃》，重點還是要發(fā)展電動汽車、先進電池和網(wǎng)聯(lián)汽車，其中大部分資金用于固態(tài)鋰金屬電池和快充技術(shù)研究。

固態(tài)電池的挑戰(zhàn)：鋰枝晶和固固界面問題

從科學技術(shù)層面來看。液態(tài)電解質(zhì)存在一些問題，比如說電解液容易泄露、燃燒，還有一些界面副反應(yīng)，電化學窗口窄，正極活性物質(zhì)的穿梭效應(yīng)。當換成固態(tài)電解質(zhì)，不易燃、無液體泄露風險；電化學窗口寬，能量密度提升，電池的能量密度和電壓是成正比的；寬溫域。

不管是哪一類的電池，我們的固態(tài)電池是把電解液換成固態(tài)電解質(zhì)而已，但是儲能仍然是儲能在材料方面，能量是在正極、負極的反應(yīng)里面。從反應(yīng)機理來看，能量密度跟反應(yīng)電子數(shù)、電位、質(zhì)量相關(guān)，我們就需要選擇合適的元素，同時需要大的元素來做，這是一個原則。電池能量密度的高低最重要的還是正極材料。從這個角度來看，我們要做高能量密度的固態(tài)電池，我們要選擇低電壓負極+高容量、高電壓的正極。不管是現(xiàn)在的鋰離子電池，到后面的鋰硫電池到鋰空氣電池都是這個原則在往前面走，每往前走一步都有著很多挑戰(zhàn)。

高能量固態(tài)電池，鋰金屬目前是電位數(shù)最低、能量密度最高，它的一個問題是鋰枝晶的生長。到了固態(tài)電解質(zhì)以后，面臨一系列問題：

1.固態(tài)鋰離子傳輸比較慢，同樣會產(chǎn)生鋰枝晶，只要里面有電子流過來都會生長鋰枝晶，還不是完全阻擋鋰枝晶的一個辦法。

2.固固界面兼容性差、離子傳輸阻力大，導致電池動力性能差。高比容量的電極，在高壓下也是不穩(wěn)定的，像三元、高鎳、富鋰，高電壓都會導致電極材料的衰減。這些問題不解決，發(fā)展高能量密度的固態(tài)電池就會面臨新的挑戰(zhàn)。

我們的研究，首先是鋰金屬負極本身要解決這些問題，有很多辦法，比如人工智能、人工SEI膜、表面修飾、三維結(jié)構(gòu)鋰金屬負極等等。還是說通過添加劑的方式，因為鋰枝晶生長是一個成核增長過程，我們?nèi)绻軌蛲ㄟ^間接的方式，控制成核增長方式，這樣我們可以完全抑制鋰枝晶的生長。但比較困難，因為首先要知道鋰枝晶的生長規(guī)律。

還有一種方法，怎么來通過添加劑的方式解決鋰枝晶的問題呢？比如雙功能塑化劑。電解質(zhì)加上PEO-聚環(huán)氧乙烷，加上LAGP-磷酸鍺鋁鋰、丁二腈的方式調(diào)控鋰枝晶的生長，這是它的原理。通過它，我們可以形成一個穩(wěn)定的鋰的生長過程，有效提高它的循環(huán)壽命。

第二個問題，固固界面問題，這個很重要，怎么形成一個穩(wěn)定的界面呢？現(xiàn)在一個辦法是找一個液體，叫“半固態(tài)電解質(zhì)”，目的是解決間隙問題。我們的考慮很重要的是如果能夠形成一個固固相融的界面，就很好解決這個問題。

固態(tài)電池的發(fā)展

針對固態(tài)電池現(xiàn)有的一些缺陷，怎么來提高它的性能？固態(tài)電池最大的一個挑戰(zhàn)是離子電導率低，與固態(tài)電池電極材料的界面相容性差、穩(wěn)定性也比較差。

無機固態(tài)電解質(zhì)分為兩類，一類是氧化物，另一類是硫化物甚至鹵化物。固態(tài)氧化物機械和熱穩(wěn)定性好，缺點是離子電導率低，界面問題嚴重。鹵化物的優(yōu)點是離子電導率高，缺點是穩(wěn)定性差、成本很高。這樣的問題，后面都要考慮。比如用表面化學方式來提升固態(tài)電解質(zhì)的性能，還有通過調(diào)控鋰的遷移能壘，通過能壘降下來，提高性能。對于硫化物來說通過元素取代，用其它離子到晶格位點，提升它的周期循環(huán)和穩(wěn)定性。另外，通過界面調(diào)控，提升快速充放電。

對于聚合物電解質(zhì)，優(yōu)點是柔軟性比較好，容易加工，良好的界面接觸。缺點是離子電導率低。怎么解決這個問題？我們通過分子設(shè)計，設(shè)計合成和原位聚合的一種新的氟化主鏈和寡聚體增塑固態(tài)聚合物電解質(zhì)，它的離子電導率比較高，而且離子遷移數(shù)特別高，還有5.1V的的寬電化學窗口。同時它與鋰金屬負極和不同的正極材料，包括LFP和NCM811在內(nèi)的多種正極形成相容穩(wěn)定的界面，顯著提升鋰金屬電池的可逆循環(huán)穩(wěn)定性。

比如通過添加增塑劑，通過在原位聚合物的前驅(qū)體中加入，提升它的性能。

聚合物固態(tài)電解質(zhì)可設(shè)計性比較好，架構(gòu)性比較好，通過高壓聚合物電解質(zhì)設(shè)計，提升它的高壓性能。也通過低溫聚合物電解質(zhì)，提升低溫性能。我們的觀點來看，聚合物電解質(zhì)也是最近發(fā)展的非常好的一個方向。

復合聚合物固態(tài)電解質(zhì)，把無機和聚合物融合起來叫復合聚合物固態(tài)電解質(zhì)，它的界面穩(wěn)定性和相容性比較差，因為有固態(tài)在里面。包括異質(zhì)結(jié)的設(shè)計，通過化學嫁接法，通過這樣一些方法提升它的性能。

我們在固態(tài)電池發(fā)展里面最核心的，一個是固態(tài)電池本身怎么樣提升它的離子電導率、離子遷移數(shù)，怎么擴展它的電化學窗口，形成良好的固固界面，界面的兼容性和穩(wěn)定性這兩塊解決是我們的一個核心。

結(jié)論：

固態(tài)電池的安全性好，能量密度高，是電動交通下一代動力電池發(fā)展的重要方向。

高能固態(tài)電池面臨的挑戰(zhàn)主要是來自如何進一步提升固態(tài)電解質(zhì)的離子電導率、與鋰金屬和高比能電極材料的匹配性，和構(gòu)筑相對穩(wěn)定的固固界面。

已經(jīng)發(fā)展的各種提升固態(tài)電解質(zhì)的性能的策略并取得重要進展，但還需要加大力度推進固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。我們不光是在應(yīng)用方面，在源頭的技術(shù)研究更重要，從源頭上設(shè)計更好的電解質(zhì)，做出性能更好的電池。